[发明专利]基于GPU的塔式太阳能热电系统镜场的成像方法

说明书

技术领域

本发明涉及塔式太阳能热电系统领域，特别是涉及一种基于GPU的塔式太阳能热电系统镜场的成像方法。

背景技术

塔式太阳能热电系统是利用很多个独立跟踪太阳的定日镜，将太阳光聚焦到一个固定在接收塔顶部的吸热器上，加热流经吸热器内部的传热介质，再使用高温介质的热能带动汽轮机、发电机来发电。它是所有大规模太阳能发电技术中成本最低的一种，有着广泛的应用前景。

塔式太阳能热电系统中的聚光、集热子系统，包括镜场和安装在接收塔上的吸热器等，一直是研究的关注点。其中，吸热器连接着镜场和储热系统两端，是光热转换的关键部件。吸热器上的成像源自各定日镜反射的太阳光，研究吸热器上的成像有着重要的意义，是提高太阳利用率、降低镜场投资成本的基础，更可以为镜场调度提供依据。在成像的研究中，不单单是关注于吸热器上的光斑形状、大小等因素，更重要的是获取并分析其能流密度分布。由于成像与镜场中各定日镜反射的光线能量、定日镜与吸热器的位置关系等因素有关，其中涉及到各定日镜的余弦效率、阴影遮挡效率、大气透射效率、溢出效率，而阴影遮挡又受入射光线、各定日镜之间的相互位置等影响，所以成像是个复杂的问题。特别是在考虑到太阳光是非平行光时，研究成像的难度又有所增加。

现有的吸热器上成像的研究中，有的技术通过在定日镜表面生成若干锥形光，在成像过程中叠加各锥形光，并利用卷积计算方法来实现。该技术计算量大，时间代价高；而且通常不考虑到定日镜间阴影遮挡，与现实情况有所差别。也有的技术在生成入射光线开始，到判断定日镜间的阴影遮挡，最后到光线反射至吸热器的整个过程中，采用光线追迹法来进行成像。该方法虽然可以直观清晰地判断每一根光线的轨迹，但是全程跟踪光线，这也无法做到精度与速度的兼顾。

发明内容

本发明提供了一种基于GPU的塔式太阳能热电系统镜场的成像方法，在保证结果较精确的情况下，使得计算效率更高。

本发明采用的技术方案如下：

(1)确定时间、定日镜及镜场参数、吸热器参数。

输入仿真的时间点、定日镜的尺寸和中心离地高度、吸热器的尺寸和离地高度，选择镜场的排布方式和定日镜间隔，为后续的计算做好数据准备。

(2)生成镜场，计算太阳位置、主入射光线单位向量、各定日镜的主反射光线单位向量、单位法向量与余弦效率、大气透射效率。

根据定日镜及镜场参数，生成特定的镜场，得到各定日镜中心坐标；由仿真的时间点，求取太阳的高度角和方位角，进而计算主入射光线单位向量，再结合各定日镜的中心坐标和吸热器参数，计算出各定日镜的主反射光线单位向量、单位法向量以及余弦效率、大气透射效率。余弦效率等于主入射光线单位向量跟定日镜表面单位法向量之间夹角的余弦值；大气透射效率是指光线被定日镜反射至吸热器的过程中，经传播后的反射光线强度与反射初的光线强度的比值。

(3)利用CUDA计算平台在GPU上多线程地进行每面定日镜的成像计算。

首先需要确定每面定日镜被阴影、遮挡的情况。对于某面被计算定日镜，先判断能对它造成阴影、遮挡的其它定日镜有哪些。这是因为，一个镜场中定日镜的数量中众多，对于某面定日镜，能对它造成阴影、遮挡的其它定日镜数量却不多，所以对该定日镜，如果直接计算其它所有定日镜对它造成的阴影、遮挡情况，会有大量不必要的计算，十分耗时。随后在被计算定日镜上进行随机撒点，根据一定的判断准则判断该定日镜上未被阴影、遮挡的随机点。

本发明中考虑太阳光为非平行光，也就是说，入射光实际为光锥，定日镜的反射光也是光锥。被计算定日镜上未被阴影、遮挡的随机点都接收一个太阳光锥，并且反射一个光锥。每个反射光锥中追迹一定数量的光线，被追迹的每根光线携带一定的能量，相当于是利用各光线能量代表光锥形成的光斑中不同点处的能量，即各光线能量总和代表整个光锥能量。这里可以计算被追迹的每根光线的向量表示和包含的能量。

将吸热器表面网格化，即按照吸热器两组边长进行等长划分。根据各反射光锥中被追迹的每根光线的向量表示、吸热器表面的平面方程及其边界范围限定，可求取每根光线与吸热器表面的交点坐标，并确定交点处于哪个吸热器网格中，其所对应的光线的能量就计算在该网格中心点处。至此可获得吸热器上的能流密度分布，从而完成某面被计算定日镜相关的成像计算。其余定日镜的成像计算也可由此得到。

上述这些过程中，除了一些计算量不大的计算和一些必要的负责串行计算的内容是在CPU中实现的，其余计算基本是在CUDA计算平台上，通过GPU并行实现的。

(4)对所有定日镜的成像计算进行汇总，得到镜场成像。